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棉花是如何演变而来的？棉花为何会发育出纤维，合成棉酚？……
日前，由中国农业科学院棉花研究所、深圳华大基因研究院和北京大学等多家单位合作完成的二倍体棉花雷蒙德氏棉基因组图谱绘制完成。棉花基因的演变、纤维起始、棉酚等重要物质的合成等终于有了初步的答案、解释的基础。
为啥要选择雷蒙德氏棉？
为什么选择雷蒙德氏棉来进行研究以及全基因组图谱的绘制？
棉花基因组学研究团队的科研人员告诉记者，已有的研究表明，雷蒙德氏棉是如今陆地棉祖先的两个供体种之一，共有13条染色体。目前全世界栽培的棉种主要是四倍体的陆地棉和海岛棉。其中，所种植的棉花95%以上属于陆地棉。因此，雷蒙德氏棉的全基因组图谱的完成对陆地棉基因组的测序意义十分重要；作为第一个被解析的棉花基因组，也为研究陆地棉基因组的结构特点奠定了良好的数据基础。
棉花基因组学研究团队采用了全基因组鸟枪法结合新一代的高通量DNA测序技术，科研人员以雷蒙德氏棉纯系为材料，对雷蒙德氏棉进行了全基因组测序，获得了其87.7%的全基因组序列，通过比较基因组以及进化分析发现，雷蒙德氏棉与可可树属于同一分支，二者可能是在3300多万年前发生了分化。
中国工程院院士、中国农业科学院副院长刘旭表示，雷蒙德氏棉基因组图谱绘制完成标志着我国棉花基因组学研究达到国际领先位置。为我国棉花重要功能基因的挖掘与利用，乃至全基因组设计育种提供了前所未有的机遇。
棉花是怎样进化而来的?
棉花发展到今天，经历了怎样的进化历程？
科研人员通过对雷蒙德氏棉与可可树旁系同源基因的分析发现，雷蒙德氏棉约在1300—2000万年前经历了一次全基因组复制事件。这次复制事件很可能不是雷蒙德氏棉的第一次基因复制，早在约1亿多年前，雷蒙德氏棉就可能经历了一次基因组复制事件。这些研究结果有利于人类认识古双子叶植物基因组的复制机制。
经过雷蒙德氏棉基因组自身比对后，科研人员共鉴定出了2355个共性区域，并发现约有40%的旁系同源基因出现在不止一个共性区域，这表明了雷蒙德氏棉基因组在进化过程中可能经历过大量的染色体重排事件。
棉花是全球最重要的经济作物之一。它的纤维，俗称皮棉，是纺织工业主要的天然原料。全世界棉花种植面积约5亿亩，我国常年种植面积近8千万亩。棉花还是一种研究多倍体化、细胞伸长和细胞壁生物合成极好的模式系统。
棉花为何会发育出如此优良的纤维？
棉花纤维是已知纤维中纯度最高的天然资源，为什么棉花会长出如此优良的纤维来？
研究发现，雷蒙德氏棉开花后3天，其蔗糖合成酶、1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶、3-酮脂酰-CoA合成酶等基因的表达量明显低于陆地棉，这暗示了上述这些基因在棉花纤维的起始和伸长过程中有着至关重要的作用。
同时，由于棉花纤维细胞是由胚珠外珠被表皮细胞分化发育而成的单细胞，其发育可分为起始、伸长、次生壁沉积、脱水成熟期等四个相互区分又有所重叠的时期；由于其发育具有高度的一致性和均一性，而且成熟的纤维细胞具有极度伸长的形态（纤维细胞长度与其直径的比例可达1000—3000倍），使得棉花纤维细胞成为研究植物细胞伸长和膨大的良好实验体系。
研究还发现，雷蒙德氏棉基因组注释结果中共有2706个转录因子，其中大量的MYB和bHLH转录因子在棉花开花后0天和3天的胚珠中表现出来，暗示着这些基因有可能是早期纤维发育所必需的。
■连线专家
中国工程院院士、中国农业科学院棉花研究所所长喻树迅
棉花育种有望实现基因组水平上的分子设计
自2008年以来，棉花全基因组测序成为棉花基础研究领域的热点问题。下一步要在该成果基础上开发出快捷分子育种工具，实现基因组水平上的棉花分子设计育种，培育出高产、高质、抗病抗旱的棉花优良新品种。
分子辅助设计育种和常规育种相结合是未来作物育种研究的必然发展方向，建立在基因组学研究基础上的分子辅助设计育种，因分子标记数量巨大、且不受基因表达时间、显隐性关系和环境条件的影响，大大提高了育种选择的准确性，缩短了育种周期，提高了选择效率。从最重要的粮食作物——水稻基因组计划开始，到家蚕、家鸡、家猪、大豆、玉米、小麦、棉花、白菜、马铃薯、西红柿、谷子等一系列重要农业物种基因组计划正在开展和完成。
在全球气候剧烈变化、耕地资源不断减少、温室效应日益加剧的背景下，大力培育和推广产量高、品质好、环境友好型的作物新品种，将有助于提高土地利用率，增加作物产量。
■延伸阅读
研究人员发现棉酚合成关键基因 棉籽将成食物资源
棉花不但是重要的纤维和油料植物，而且是重要的植物蛋白来源。在食用油中，棉籽油的亚油酸含量最高，达到55.6%。除此以外，棉花种子中还含有极为丰富的蛋白质和脂肪等物质，棉籽榨油后的棉籽粉蛋白质高达45%—50%，远胜过大米、小麦，甚至超过花生、大豆的蛋白质含量。然而，由于一般栽培棉品种的种子和植株具有色素腺体，而色素腺体中含有的棉酚及其衍生物对人和单胃动物有毒，棉酚是棉属植物特有的化合物，这直接制约了棉籽作为食物资源的开发和利用。
于是，科研人员通过与葡萄、大豆、可可、拟南芥番木瓜、蓖麻、杨树、水稻等植物比较，发现在棉花和可可基因组中存在着一类特有的杜松烯合成酶基因家族，该家族是棉酚合成途径上的关键酶，是参与棉酚生物合成的关键步骤。这一发现解析了棉酚合成的基因起源和演化，使科学家们今后可以利用基因工程技术来改良或降低棉籽中的棉酚含量，那么，棉籽应用于食物资源有望成为现实。